Relative wave measurement concepts for Oksøy Alta and Skjold class vessels

Abstract

Sudden horizontal decelerations in rough seas due to wave diving/green water on deck may pose a serious risk to crew safety as well as to hull integrity on the new Skjold class fast patrol boats. FFI plans to develop a system for structural health monitoring of the Skjold class, and aims to include tools that could warn the crew when the ship is at risk of getting green water on deck. In the planned project, FFI will analyze data from the inertial navigation system (INS) and, if possible, develop a bow diving warning tool based on the INS. However, it is believed that a sensor that measures the distance between the wet deck and sea surface close to the bow of the ship will increase the quality of such a warning system. Also the hull monitoring system of the Oksøy/Alta class mine sweeper/hunter class will benefit from an accurate relative wave measurement. In a previous report, an evaluation of three commercial instruments based on non-contact microwave and ultrasound technology was described. Unfortunately, none of the evaluated instruments or technologies had the required reliability during rough weather. In this report, a range of alternative and some novel techniques are evaluated. They utilize the differences in electromagnetic, mechanical, and optical properties between sea water and air to estimate the relative wave height. Most of the techniques considered here are based on distributed or array sensors mounted at different heights in, behind or on the outside of the hull. I.e., the presence of water is assessed locally around the hull-mounted sensor, and by comparing the data from all sensors of the array or the whole distributed sensor string the water level is found. Of all the considered options discussed in this report, we think five techniques are promising. Since air is an isolator, whereas sea water is electric conductive, the perhaps simplest technique is just to measure the conductivity between two electrodes. Due to the variable conductance of sea water, conductance measurements should be performed over an array of detectors rather than using a single pair of wire running top-down on the outer hull surface. Measurement errors due to water film between the conductors can mostly be avoided by using a sufficiently large distance between the electrodes. This report also suggests some mounting solutions that we believe will be robust enough to overcome the large tear and wear outside the hull close to the bow. Another consequence of the conductivity of sea water is that an application of time-varying electromagnetic fields will induce eddy currents that in turn will weaken the applied field. This effect is the basis of two promising sensor principles considered here. A well-established technology in other applications is inductive sensors, where the magnetic field set up by the eddy currents is measured and analyzed. Alternatively, in our case, the attenuation of the electromagnetic RF (radio) field as a function of water depth due to the eddy currents can be detected using an antenna array. Although several induction sensor designs are suggested in this report, we believe that characterization of the radio attenuation profile has the largest potential, since it requires the weakest field and can use a simpler antenna design. The fourth promising, but rather obvious, technique for the measurement of the relative wave considered here is the use of a pressure sensor array. Pressure sensor technology is quite mature, and small, robust sensors with a large dynamic range are available. This report gives a few examples of how the sensors could be mounted in a robust manner Finally, it is probably possible to map the waves in front of the ship in a very detailed manner using a pulsed laser with beam scanning. However, the development and probably also hardware of such a system would probably be too expensive for the given application We recommend that the next step in the development of a relative wave measurement is realistic on-ship prototype trials of the conductance, the radio antenna, or the pressure sensor array. The apparent advantage of the pressure and conductance sensor array is that the technologies are proven, but mechanical robustness and the effect of splashing waves etc. have to be studied in a realistic test. For the radio antenna, the big advantage is that the whole sensor system can be placed inside the ship, but the technology itself has to be proven. If the prototypes are made simple enough, it could also be a possibility to test more than one principle simultaneously. Probably, the same holes can be used both for the pressure and conductance sensors.

På de nye MTB-fartøyene i Skjold-klassen kan grønn sjø på dekk føre til brå nedbremsing og utgjøre en trussel mot mannskapets sikkerhet og skrogets integritet. FFI planlegger å utvikle et skrogovervåkningssystem for Skjold-klassen, og tar sikte på å inkludere verktøy som kan varsle mannskapet når det er risiko for å få grønn sjø på dekk. I det planlagte prosjektet, vil FFI analysere data fra treghetsnavigasjonssystemet (INS) og, hvis mulig, utvikle et varslingssystem mot baugdykking basert på INS. Det er imidlertid sannsynlig at en sensor som kan måle avstanden mellom våtdekket og sjøoverflaten forut vil øke ytelsen på et slikt varslingssystem. Også skrogovervåkningssystemet som utvikles for Oksøy/Alta-klassen vil kunne gi bedre varsler om det suppleres med en slik sensor. En tidligere rapport ga en evaluering av kommersielt tilgjengelige ultralyd- og mikrobølgealtimeter. Dessverre viste det seg at ingen av instrumentene eller teknologiene var til å stole på for vårt bruk. I denne rapporten blir en rekke alternative og noen nye måleideer diskutert. De utnytter forskjeller i de elektromagnetiske, optiske og mekaniske egenskapene mellom luft og sjøvann. Flesteparten av teknikkene som er blitt overveid baserer seg på distribuerte eller en rekke sensorer montert på forskjellige høyder bak, i eller på utsiden av skrogplatene. Tilstedeværelsen av vann blir målt lokalt rundt sensoren, og ved å sammenligne data fra alle enkeltsensorene i rekken, evt. fra den distribuerte sensoren, finnes vannivået på skroget. Av alle de forskjellige teknikkene som er diskutert i denne rapporten, synes vi fem er lovende. Siden luft er en isolator, mens sjøvann er elektrisk ledende, er kanskje den enkleste teknikken å bare måle strømmen mellom to spenningssatte elektroder. Selv om en kunne tenke seg å bare bruke ett trådpar langs skutesiden, bør man bruke en rekke sensorpar siden ledningsevnen til saltvann er sterkt varierende. Selv om en tynn sjøvannsfilm mellom elektrodene også vil være svakt ledende, kan dette problemet stort sett unngås ved å ha stor nok avstand mellom elektrodene. Denne rapporten foreslår også monteringsmetoder som vi tror vil være robuste nok mot den store påkjenningen sensorene vil utsettes for utenfor skroget nær baugen. En annen konsekvens av sjøvannets ledningsevne er at et tidsvarierende elektromagnetisk felt vil sette opp virvelstrømmer og tilhørende motfelt som vil svekke det opprinnelige påførte feltet. Denne effekten er grunnlaget for to lovende teknikker. Såkalte induktive sensorer brukes i en rekke anvendelser, og er basert på å måle og analysere motfeltet som blir indusert i en leder. I vårt tilfelle kan man alternativt måle svekkingen av et utsendt elektromagnetisk RF (radio) felt ved hjelp av en antennerekke. Selv om mange forskjellige induktive sensorutformninger blir foreslått i denne rapporten, tror vi at måling av radiosignalers dempningskarakteristikk er mest attraktiv. I forhold til induktive teknikker kreves svakere felt og enklere antenner kan brukes Den fjerde lovende, man ganske innlysende, metoden å måle relativbølger på er å benytte en rekke med trykksensorer. En fordel er at små men robuste trykksensorer med stor dynamikk basert på moden teknologi er kommersielt tilgjengelige. Rapporten gir noen eksempler på hvordan trykksensorene kan bli montert på en robust måte. Til slutt vil det også være mulig å måle en detaljert bølgeprofil foran skipet ved å bruke en pulset laser med strålesveiping. Vi tror imidlertid at både utviklings- og komponentkostnadene for et slikt system vil være for høy for den noe spesielle problemet vi ønsker å løse. Vi anbefaler at det neste steget i utviklingen av relativbølgemålingsutstyr er en realistisk test av en enkel motstandsmåler-, radioantenne- eller trykksensorrekke langs skutesiden på et av de aktuelle skipene. En fordel med trykk- eller motstandsmåling er at teknikkene er veletablerte på andre områder, men mekanisk robusthet og virkningen av sjøsprøyt etc. må studeres i en realistisk test. Den store fordelen med radiomåling er at alle delene av systemet kan plasseres på innsiden av skroget, men vi må også få bekreftet at teknikken virker i praksis. Hvis prototypene blir laget enkle nok, kan man kanskje også teste flere alternativ samtidig. Sannsynligvis kan man da bruke de samme skroghullene for både trykk- og konduktansmåling.